KOCAELĐ ÜNĐVERSĐTESĐ * FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
POLĐMER KOMPOZĐTLERĐN MATKAPLA DELĐNME
KARAKTERĐSTĐKLERĐNĐN VE OLUŞAN
MEKANĐZMALARININ ĐNCELENMESĐ
YÜKSEK LĐSANS
Makine Müh. Eda OKUTAN
Anabilim Dalı: Makine Mühendisliği
Danışman: Doç. Dr. Sedat KARABAY
ii
KOCAELĐ ÜNĐVERSĐTESĐ * FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ
POLĐMER KOMPOZĐTLERĐN MATKAPLA DELĐNME
KARAKTERĐSTĐKLERĐNĐN VE OLUŞAN
MEKANĐZMALARININ ĐNCELENMESĐ
YÜKSEK LĐSANS
Makine Müh. Eda OKUTAN
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih: 22 Mayıs 2009 Tezin Savunulduğu Tarih: 26 Haziran 2009
Tez Danışmanı Üye Üye
Doç. Dr. Sedat KARABAY Doç.Dr. Tamer SINMAZÇELĐK Doç.Dr. Babür ÖZÇELĐK
………) (………) (………
i ÖNSÖZ
Kompozit malzemeler yüksek spesifik dayanım, yüksek spesifik modül, korozyon direnci, üstün yorulma direnci, düşük termal genleşme katsayısı, sönümleme ve boyutsal stabilite vb. özelliklerinin yanı sıra metal ve alaşımlarıyla elde edilemeyen özellikleri bünyelerinde barındırmalarından dolayı son yıllarda özellikle uzay, otomotiv, savunma, taşımacılık, denizcilik sanayileri ve tüketici ürünlerinde kullanımları hızla artmaktadır.
Kompozit malzemeler, elle yatırma, basınçlı kalıplama, pultrüzyon ve flaman sarma gibi birincil imalat proseslerinden birini kullanarak son şekillerine yakın olarak üretilmelerine rağmen, bu parçaların kaynaklanamamaları, yapıştırma bağlantılarının oldukça kompleks olması ve demontajlarının mümkün olmaması montaj uygulamalarında pim, cıvata, perçin vb. mekanik bağlantıların uygulanmasını kaçınılmaz hale getirmektedir.
Bu çalışmada polimer kompozit malzemelerin belirli delme koşullarında standart helisel matkap uçları kullanılarak matkap tezgahında delme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda meydana gelen delme momenti ve eksenel kuvvet değerleri dinamometre ile ölçülmüştür. Bu değerlerden yola çıkarak delme momenti ve eksenel kuvvet değerleri için Shaw ve Oxford modelini temel alan ampirik eşitlikler elde edilmiştir.
Yüksek lisans çalışmamın başlangıcında tanışma fırsatı bulduğum, sahip olduğu bilgi birikimi ve mesleki disiplini ile bana daima örnek olan, yardımlarını esirgemeyen değerli hocam, tez danışmanım Doç. Dr. Sedat KARABAY’ a ve lisans eğitimimin başlangıcından itibaren her konuda kendime örnek aldığım, beni akademik kariyer sahibi olmaya teşvik eden, yüksek lisans çalışmam sırasında malzeme ve cihaz temini konularında desteğini esirgemeyen değerli hocam Doç. Dr. Tamer SINMAZÇELĐK’ e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Makine Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof. Đbrahim UZMAN’ a Takım Tezgahları Laboratuarı cihazlarını kullanmama imkan sağladığı için teşekkür ederim.
Kompozit ilave (ADD-ON) zırh ve koruma sistemleri teknolojisi geliştirme ve uygulamalar başlıklı DPT projesi kapsamında TÜBĐTAK-MAM Malzeme Enstitüsü’nde gerçekleştirilen çalışmalara olanak sağlayan Doç. Dr. Volkan GÜNAY ve Doç. Dr. Tarık BAYKARA’ ya teşekkürlerimi sunarım.
Kocaeli Üniversitesi 2008K120800 Đleri Disiplinlerarası Araştırma Laboratuarı (ĐDEAL), Đleri Malzemeler Laboratuarı’nda gerçekleştirilen çalışmalara olanak sağlayan Prof. Dr. Arif DEMĐR’e teşekkürlerimi sunarım.
ii
Çalışmam sırasında verdikleri manevi destek için Makine Mühendisliği Bölümü’ndeki tüm çalışma arkadaşlarıma teşekkür ederim. Ayrıca tüm yaşamım boyunca maddi ve manevi her konuda bana destek olan annem Fatma OKUTAN, babam Đbrahim OKUTAN ve kardeşlerim Elif ve Seda’ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
iii ĐÇĐNDEKĐLER ÖNSÖZ ... i ĐÇĐNDEKĐLER... iii ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ ...v TABLOLAR DĐZĐNĐ ... vii SĐMGELER ... viii Özet... ix 1. GĐRĐŞ ...1
1.1. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri ...1
1.1.1. Kompozit teknolojisinin gelişimi...4
1.1.2 Matris malzemeleri...6
1.1.2.1. Polimer matrisli kompozitler ...7
1.1.3. Fiber malzemeleri ...9
1.1.3.1. Cam fiberler ...11
1.1.4. Polimer kompozitlerin kullanım alanları...13
1.2. Talaş Kaldırma Yöntemlerinin Sistematiği ...14
1.2.1. Talaş kaldırma mekaniği ve talaş tipi...15
1.2.2. Talaş kaldırma olayını etkileyen faktörler...18
1.2.2.1. Takım geometrisi ...18
1.2.2.2. Talaş geometrisi ...18
1.2.2.3. Kesme hızı ...22
1.2.2.4. Kesme kuvveti ve kesme gücü...23
1.2.2.5. Diğer faktörler...26
1.2.3. Talaş kaldırma faktörlerinin etkileri ve analizi...26
1.2.3.1. Takım geometrisi ...26
1.2.3.2. Kesme kuvveti ve özgül kesme kuvveti ...27
1.2.3.3. Isı oluşumu...31
1.2.3.4. Aşınma ve takım ömrü ...33
1.2.3.5. Ömür – kesme hızı bağıntısı ...34
1.2.3.6. Genişletilmiş kesme hızı – ömür bağıntısı ...35
1.3. Takım Malzemeleri ...36
1.3.1. Yüksek hız çelikleri (HSS) ...37
1.4. Delik Delme ve Delik Đşleme ...39
1.4.1. Spiral matkapla delik açma ve genişletme ...40
1.4.1.1. Takım geometrisi ...40
1.4.1.2. Talaş kaldırma faktörleri ...44
1.5. Kompozit Malzemelerin Talaşlı Şekillendirilmesi ...51
1.6. Yapılan Deneysel Çalışmanın Amacı ...52
2. LĐTERATÜR ÇALIŞMASI ...54
iv
2.1.1. Delme parametrelerinin eksenel kuvvet, moment ve parçada meydana
gelen hasar mekanizmaları ile ilişkisi...54
2.1.1.1. Takım aşınması ve eksantrikliğinin delme prosesine etkileri...67
2.2. Delme Prosesinde Yapılabilecek Đyileştirmeler...68
2.3. Kompozit Malzemelerin Delinmesinde Meydana Gelen Hasarların Analizi...71
3. DENEYSEL ÇALIŞMA ...73
3.1. Deneylerde Kullanılan Malzemenin Özellikleri...73
3.2. Deney Ekipmanlarının Tanıtımı ...74
3.3. Deney Prosedürü...76
4. DENEY SONUÇLARI ...79
4.1 Delme Deneyleri Sonucunda Elde Edilen Moment ve Eksenel Kuvvet Değerleri ...79
4.2. Deneysel Sonuçları Kullanarak Ampirik Eşitliklerin Elde Edilmesi...80
4.2.1. Moment eşitliğinin elde edilmesi...80
4.2.2. Eksenel kuvvet eşitliğinin elde edilmesi ...84
4.3. Deneysel ve Teorik Delme Momenti ve Eksenel Kuvvet Değerlerinin Birbirleri Đle Karşılaştırılması...87 5. SONUÇLAR VE ÖNERĐLER...89 5.1. Sonuçlar...89 5.2. Öneriler...91 KAYNAKLAR...92 EKLER...99 ÖZGEÇMĐŞ...107
v ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ
Şekil 1.1: Kompozit malzemelerin gruplandırılması [4]. ...3
Şekil 1.2: Kompozit malzeme örnekleri: a) Rasgele yönlenmiş partikül takviyeli, b) yönlenmiş kısa fiber takviyeli, c) rasgele yönlenmiş kısa fiber takviyeli, d) yönlenmiş sürekli fiber takviyeli [5]...4
Şekil 1.3: Tabakalı fiber takviyeli kompozit malzeme [6]...4
Şekil 1.4: Malzemelerin dayanım / yoğunluk oranlarının tarihsel gelişimi [3]. ...5
Şekil 1.5: Takım modeli ve ortogonal kesme [9]. ...16
Şekil 1.6: Talaş kaldırma olayı a) Kesme bölgesi, b) Kesme düzlemi [9]...17
Şekil 1.7: Talaş tipleri a) Sürekli talaş, b) Yapışık talaş, c) Kesintili talaş [9]. ...17
Şekil 1.8: Talaş geometrisi [9]...19
Şekil 1.9: Talaş kaldırma modeli [9]. ...20
Şekil 1.10: Talaş kaldırma hızları [9]. ...22
Şekil 1.11: Talaş kaldırma kuvvetleri [9]...24
Şekil 1.12: Takım açılarının etkisi [9]. ...27
Şekil 1.13: Özgül kesme kuvveti ile talaş kalınlığı arasındaki ilişki [9]. ...29
Şekil 1.14: Talaş kaldırmada ısı dağılımı ve ısı bilançosu [9]. ...32
Şekil 1.15: Ömür-kesme hızı bağıntısı...34
Şekil 1.16: Takım malzemelerinin sertliklerinin sıcaklıkla değişimi [11]...37
Şekil 1.17: Delik delme işleminin şematik gösterimi. ...39
Şekil 1.18: Spiral matkap [9]...40
Şekil 1.19: Takım açıları [9]...41
Şekil 1.20: Talaş açısının çap boyunca değişimi [9]. ...42
Şekil 1.21: Talaş açılarının helis etkeni ile değişimi [9]...44
Şekil 1.22: Spiral matkapla delik delme [9]...45
Şekil 1.23: Matkapla delmede kesme kuvvetleri [9]. ...47
Şekil 1.24: Kompozit parçaların mekanik birleştirilmesi [11]. ...51
Şekil 2.1: Eksenel kuvvetin delme zamanına bağlı olarak değişimi [11]. ...55
Şekil 2.2: Eksenel kuvvetin delme zamanı ve ilerleme hızına göre değişimi [11]...56
Şekil 2.3: Delme esnasında moment değerinin delme zamanının fonksiyonu olarak değişimi [11]...56
Şekil 2.4: Momentin kuvvetin delme zamanı ve ilerleme hızına göre değişimi [11].57 Şekil 2.5: Polimer kompozitlerin delinmesinde iş parçasında matkabın giriş ve çıkış taraflarında meydana gelen delaminasyonlar [11]...58
Şekil 2.6: Bir delik çevresindeki delaminasyon [11]...59
Şekil 2.7: Farklı matkap geometrilerine örnekler [11]. ...69
Şekil 3.1: Matkap tezgahının şematik görünümü [80]...74
Şekil 3.2: Kistler 9272 piezoelektrik dinamometre (solda) ve Kistler 5070A amplifikatör (sağda) [81,82]...75
Şekil 3.3: Kompozit malzemelerin matkap tezgahında delinmesinde eksenel kuvvet ve moment değerlerini eş zamanlı ölçen test düzeneği: (a) Şematik çizim, (b) Fotoğraf. ...77
vi
Şekil 4.1: Spesifik Enerji - (f d) grafiği. ...81
Şekil 4.2: Matkap momenti - Đlerleme grafiği...82
Şekil 4.3: Matkap momenti – Matkap çapı grafiği. ...82
Şekil 4.4: Eksenel kuvvet - Đlerleme grafiği...85
Şekil 4.5: Eksenel kuvvet- Matkap çapı grafiği. ...85
vii TABLOLAR DĐZĐNĐ
Tablo 1.1: Cam fiber türlerinin harf gösterimleri ve karakteristik özellikleri [8]. ...12
Tablo 1.2: Takım malzemelerinin özellikleri [10]...37
Tablo 1.3: HSS takım malzemelerin bileşimi, özellikleri ve kullanım koşulları [9]..38
Tablo 3.1: [(0º/+45º/90º/-45º)]s oryantasyonuna sahip kompozit malzemenin özellikleri...73
Tablo 3.2: Matkap tezgahının bazı teknik özellikleri [80]...74
Tablo 3.3: Delme deneylerinde kullanılan DIN 338 standartlı matkapların özellikleri [83]...76
Tablo 3.4: Deney prosedürü. ...78
Tablo 4.1: Delme momenti için elde edilen deneysel sonuçlar...79
Tablo 4.2: Delme eksenel kuvveti için elde edilen deneysel sonuçlar. ...79
Tablo 4.3: Deneysel ve teorik delme momenti değerlerinin karşılaştırılması...88
viii SĐMGELER γ : Talaş açısı, β : kama açısı, α : serbest açı, λ : eğim açısı, Ø : kesme açısı, b : talaş genişliği, h : talaş kalınlığı, l : talaş uzunluğu, λs : büzülme oranı, λsb : genleşme oranı, s : ilerleme, (mm/dev) u : ilerleme hızı, (mm/dak) v : kesme hızı,
vA : talaşın parçadan ayrılma hızı,
vM : talaş kaldırma hızı,
Fz : talaş kaldırma kuvveti,
Fs : kesme kuvveti,
Fr : radyal kuvvet,
Fk : kesme düzleminde makaslama kuvveti,
Fb : basma kuvveti, Ff : sürtünme kuvveti, Fn : normal kuvvet, ρ : sürtünme açısı, τk : kesme mukavemeti, Ps : kesme gücü, η : verim, ks : özgül kesme kuvveti, CT : Taylor sabiti, T : takım ömrü, ψ : uç açısı,
φ : radyal kesme açısı, θ : helis açısı, d : matkap çapı, n : dönme hızı, (dev/dak) Fv : eksenel kuvvet, Fd : delaminasyon faktörü, Md : matkap momenti, HB : Brinell sertliği, f : ilerleme, (mm/dev) c : kesme kenarı uzunluğu, U : spesifik kesme enerjisi, Tv : eksenel kuvvet
ix
POLĐMER KOMPOZĐTLERĐN MATKAPLA DELĐNME KARAKTERĐSTĐKLERĐNĐN VE OLUŞAN MEKANĐZMALARININ
ĐNCELENMESĐ
Eda OKUTAN
Anahtar Kelimeler: Matkapla Delme, Delme Dinamometresi, Delme Momenti, Eksenel Kuvvet, Ampirik Eşitlikler, Polimer Kompozitler.
Özet: Kompozit malzemeler yüksek spesifik dayanım, yüksek spesifik modül, korozyon direnci, üstün yorulma direnci, düşük termal genleşme katsayısı, yüksek sönümleme ve iyi boyutsal stabilite vb. özelliklerinin yanı sıra metal ve alaşımlarıyla elde edilemeyen özellikleri bir arada bünyelerinde barındırmalarından dolayı son yıllarda özellikle uzay, otomotiv, savunma, taşımacılık, denizcilik sanayileri ve tüketici ürünlerinde kullanımları hızla artmaktadır.
Fiber takviyeli polimer kompozit parçaların imalatı birincil ve ikincil imalat olarak sınıflandırılabilir. Kompozit malzemeler, elle yatırma, basınçlı kalıplama, pultrüzyon ve flaman sarma gibi birincil imalat proseslerinden birini kullanarak son şekillerine yakın olarak üretilmelerine rağmen, kompozit parçaların kaynaklanamamaları, yapıştırma bağlantılarının oldukça kompleks olması ve demontajlarının mümkün olmaması montaj uygulamalarında pim, cıvata, perçin vb. mekanik bağlantıların uygulanmasını kaçınılmaz hale getirmektedir.
Uzay endüstrisinde tüm talaş kaldırma işlemlerinin yaklaşık % 40’ ı delme işlemi ile elde edilmektedir. Uygulamada konvansiyonel delme, ultrasonik, lazer ışını, su jeti ve aşındırıcı su jeti ile delme gibi birçok delik delme tekniği bulunmaktadır. Ancak matkapla delme kompozit malzemeler için en fazla kabul gören ve uygulanan delik delme yöntemidir.
Bu çalışmada [(0º/+45º/90º/-45º)]s oryantasyonuna sahip cam fiber takviyeli
polyester matrisli kompozit malzemelerin farklı ilerleme değerlerinde ve farklı çapta standart helisel matkap uçları kullanılarak delinmeleri esnasında meydana gelen eksenel kuvvet ve moment değerleri delme dinamometresi ile ölçülmüştür. Deneysel olarak elde edilen delme momenti ve eksenel kuvvet değerlerinden yola çıkarak bu değerler için Shaw ve Oxford modelini temel alan ampirik eşitlikler elde edilmiştir. Đlerleme hızı ve matkap çapı gibi delme parametrelerinin, elde edilen ampirik eşitliklerde yerine yazılması ile elde edilen teorik delme momenti ve eksenel kuvvet değerleri deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır.
x
INVESTIGATIONS OF DRILLING CHARACTERISTICS AND MECHANISMS OF POLYMER COMPOSITES
Eda OKUTAN
Keywords: Drilling, Drilling Dynamometer, Drill Torque, Thrust Force, Empirical Equations, Polymer Composites.
Abstract: The use of composite materials has grown rapidly in recent years, especially in the aerospace, automotive, defense, transportation, marine and consumer products industries due to their unique properties such as, high specific strength, high specific stiffness, good corrosive resistance, excellent fatigue resistance, low thermal expansion coefficient, high damping, good dimensional stability and an unusual combination of properties not obtainable with metals and their alloys.
Manufacturing of fiber reinforced plastic composite materials can broadly be classified as primary and secondary manufacturing. Though most of the composite products are made to a near-net shape using any of the primary manufacturing processes such as hand lay-up, compression molding, pultrusion and filament winding, secondary manufacturing in terms of machining sometimes becomes unavoidable particularly for riveting and fastening in assembly practices.
In the aerospace industry, drilling accounts for nearly 40% of all the metal- removal operations. Several hole production processes including conventional drilling, ultrasonic drilling, laser- beam drilling, water- jet drilling, etc., have been proposed. But conventional drilling by far is the most widely accepted hole generation method.
In this study, glass fiber reinforced polyester matrix composite materials with fiber orientation of [(0º/+45º/90º/-45º)]s has been drilled under different feed rates by
using different diameters of standard helical drill bits, and occurred thrust force and drill torque values has been measured by using drill diameters. Empirical equations which were based on Shaw and Oxford model has been obtained for drill torque and thrust force by using experimental values. By putting the drilling parameters such as feed rate and drill diameter into these equations the theoretical values of drill torque and thrust force has been obtained and compared with experimental values.
1 1. GĐRĐŞ
1.1. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri
Malzemeler metaller, seramikler ve polimerler olmak üzere üç ana gruba ayrılırlar. Bu üç ana grubun yanında, aynı ya da farklı gruplardan iki veya daha fazla malzemenin uygun olan özelliklerini tek bir malzemede toplamak, ya da yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan malzemeler kompozit malzemeler olarak adlandırılırlar [1].
Bu tanımı detaylandırdığımızda, kompozit malzemeler, şekil ve/veya kimyasal bileşimleri farklı, birbiri içerisinde pratik olarak çözünmeyen iki veya daha fazla makro bileşenin kombinasyonundan oluşan malzemeler şeklinde de tanımlanabilir. Bu tanımlamaya göre kompozit malzemeler, makro ölçüde heterojen karakterli bir yapıya sahip olup, iç yapıları çıplak gözle incelendiğinde (makroskobik muayene), yapı bileşenlerinin seçilip ayırt edilmesi mümkündür. Bu yapı bileşenleri birbirleri içerisinde çözünmezler, kimyasal olarak inert davranırlar [2].
Kompozit malzeme üretiminde farklı yöntemler mevcut olmakla birlikte, bu yöntemlerin hepsinde değişmeyen temel ilke, bileşenlerin zayıf yönlerinin amaçlanan doğrultuda iyileştirilerek daha nitelikli bir yapının elde edilmesidir [3].
Bu amaçla iyileştirilebilecek özellikler şunlardır [1]:
• Dayanım,
• Yorulma dayanımı, • Aşınma dayanımı, • Korozyon dayanımı, • Kırılma tokluğu,
2 • Yüksek sıcaklık özellikleri,
• Boyutsal stabilite, • Isıl direnç, • Isıl iletkenlik, • Elektriksel direnç, • Elektrik iletkenliği, • Akustik iletkenlik,
• Ses tutuculuğu veya ses yutuculuğu, • Rijitlik,
• Ağırlık, • Fiyat,
• Estetik görünüm.
Bu avantajlarının yanında kompozit malzemelerin bazı dezavantajları da söz konusudur. Bunlar [3]:
• Kullanılan hammadde maliyetleri yüksektir.
• Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir. Kalınlık yönünde düşük dayanım ve tabakalar arası düşük kayma dayanımı özelliği bulunmaktadır.
• Malzemenin özellikleri üretim yöntemlerinin detaylarına bağımlıdır.
• Malzemelerin sınırlı raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin veya hammaddelerinin soğutularak saklanmaları gerekmektedir.
• Neme duyarlı bileşenlerin, üretim öncesi kurutulmaları gerekmektedir.
Kompozit malzemelerde takviye olarak kullanılan bir fiber malzemesi ve bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzemesi bulunmaktadır. Bu iki malzeme grubundan fiberler, kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini ortaya koymaktadır. Hacim bileşeni olan
3
matrisin esas fonksiyonu ise, fiberlerin kendi bünyesinde dağılmasını sağlamak, plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamak, kompozit malzemenin kopmasını geciktirmek, yük altında fiberleri bir arada tutmak ve yükü fiberler arasında homojen olarak dağıtmaktır [2].
Kompozit malzemelerin en yaygın gruplandırma biçimi takviye türü ve matris malzemesine göre yapılan gruplandırmadır (Şekil 1.1.) [4].
Şekil 1.1: Kompozit malzemelerin gruplandırılması [4].
Takviye malzemesinin geometrisine bağlı olarak kompozit malzemeler fiber ve partikül takviyeli kompozit malzemeler olarak ikiye ayrılır (Şekil 1.2.). Fiber takviyesi sürekli fiber takviyesi ve kısa fiber takviyesi şeklinde olabilir [5].
Fiber takviyeli kompozit malzemeler çoğunlukla tabakalar halinde kullanılırlar. Tabaka çoğunlukla bir polimer matris içine belirli hacim oranları ile fiberlerin yerleştirilmesinden oluşur. Farklı fiber oryantasyonlarında tabakaların bir araya getirilmesiyle kompozit malzemenin farklı doğrultularda özellikleri iyileştirilir (Şekil 1.3.) [6].
4
Şekil 1.2: Kompozit malzeme örnekleri: a) Rasgele yönlenmiş partikül takviyeli, b) yönlenmiş kısa fiber takviyeli, c) rasgele yönlenmiş kısa fiber takviyeli, d) yönlenmiş sürekli
fiber takviyeli [5].
Şekil 1.3: Tabakalı fiber takviyeli kompozit malzeme [6].
1.1.1. Kompozit teknolojisinin gelişimi
Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojilerine kadar hemen her alanda çok yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerin üretimi ve kullanımı son birkaç yüzyıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanmaktadır. Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940’ lı yılların başında gerçekleşmiştir [3].
Đlk çağlardan bu yana insanlar kırılgan malzemelerin içine bitkisel veya hayvansal lifler koyarak bu kırılganlığı gidermeye çalışmışlardır. Bu uygulamaya en iyi
5
örneklerden biri kerpiç malzemedir. Kerpiç üretiminde, killi çamur içerisine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, malzemenin gerek üretim, gerekse kullanımı sırasında dayanımını artırmaktadır. Günümüzde kompozit malzemenin takviye edilmesinde yaygın olarak kullanılan fiberlerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı, örneğin cam fiberlerin üretiminin eski Mısır’ a dayandığı bilinmektedir [3].
Fiberlerle takviye edilen sentetik reçineler 1950’ li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemelerin en tanınmış grubunu cam fiber takviyeli polyester matrisli kompozitler oluşturmaktadır. Ülkemizde fiberglas olarak tanınan bu malzeme 1960’ lı yılların başından itibaren Türkiye’ de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyutlarda teknelerin yapımı gibi alanlarda kullanılmaktadır. Ülkemizde seri üretimi yapılmış ilk yerli otomobil olan Anadol’ un kaportası da bu malzemeden üretilmiştir [3].
Kompozit malzemelerin özellikleri monolitik malzemelerle karşılaştırıldığında, kompozitin dayanım ve modül değerleri metal malzemelerden daha düşüktür. Ancak bu malzemeler düşük yoğunluk (ρ) değerlerine sahip olduklarından spesifik dayanım (σ/ρ) ve spesifik modül (E/ρ) değerleri metalik malzemelerden yüksektir. Bu özellikleri, hafifliğin önemli olduğu uygulamalarda büyük fayda sağlar [5].
6
Şekil 1.4’ te tarih boyunca kullanılan malzemelerin dayanım / yoğunluk (spesifik dayanım) oranları verilmektedir. Görüldüğü gibi 20. yüzyılda kompozit malzemelerin keşfi ile dayanım / yoğunluk oranında hızlı bir artış olmuştur. Bu da kompozit malzemelerin havacılık gibi bazı kritik uygulamalarda gerekliliğini açıkça göstermektedir [3].
1.1.2 Matris malzemeleri
Matris kompozit malzemelerin önemli iki bileşeninden biri olup, fiberlerin öngörülen zorlamaları taşıması, matrisin uygun olarak seçilmesine bağlıdır. Matrisin başlıca görevleri:
• Kuvvetleri fiberlere iletmek,
• Fiberleri, ortamın etkisi ve darbelerden korumak,
• Kompozit malzemenin tokluğunu artırmak, olarak sıralanabilir [1].
Kompozit malzemeler, kullanılan matris malzemesinin türüne göre aşağıdaki gibi sınıflandırılırlar [1]:
• Polimer matrisli kompozitler,
• Seramik matrisli kompozitler,
• Metal matrisli kompozitler.
Yapılan deneysel çalışmada cam fiber takviyeli polyester matrisli kompozit malzeme kullanıldığından aşağıda polimer matrisli kompozitler, polyester matris malzemeleri ve cam fiberler hakkında genel bir bilgi verilmektedir.
7 1.1.2.1. Polimer matrisli kompozitler
Polimerler yapıları gereği metal ve seramik esaslı konvansiyonel malzemelerden farklıdırlar. Diğer malzemelerden avantajlı yanları ön plana çıkartılarak kullanım alanları giderek genişlemektedir. Polimer kompozitlerin üretiminde başlıca hedefler, en az çelik kadar sağlam, olabildiğince hafif, yüksek kullanım sıcaklıklarına dayanıklı, ve ekonomik malzeme üretimidir [3].
Polimer matris malzemelerinin başlıca üretim ve kullanım özellikleri şunlardır [1]:
Üretim özellikleri;
• Viskozite ve sertleşme süresi,
• Fiberi ıslatma kabiliyeti,
• Üretim sırasında uygulanan sıcaklık ve basınç,
• Gözenek oluşma tehlikesi,
• Saklama süresi. Kullanım özellikleri;
• Mekanik özellikleri, • Yoğunluk,
• Kullanım sıcaklığının sınırları,
• Korozyon gibi ortam tehlikelerine dayanıklılık.
Kompozit malzemelerde matris olarak kullanılan plastik reçineler termoset ve termoplastikler olarak sınıflandırılabilir [1].
Termopastikler yapıları gereği, belli sıcaklıklara kadar boyutlarını korurlar ve camsı geçiş sıcaklığına yakın sıcaklıklarda yumuşamaya başlarlar. Bu nedenle matris, malzeme açısından yetersizdirler. Yüksek performanslı termoplastikler ve bazı
8
mühendislik plastikleri, yüksek sıcaklıklara dayanabilirler ve geniş bir sıcaklık aralığında kararlıdırlar. Termoset polimerler ise boyutsal kararlılık açısından üstündürler [4].
Kompozit üretiminde kullanılacak termoset polimerler genelde, içerisine sertleştirici, katkı ve dolgu maddeleri karıştırılmış düşük viskoziteli ve düşük mol kütleli sıvı halindedirler. Bu karışıma termoset reçine adı verilir. Kompozit yapımının ilk aşamasında takviye malzemeleri reçine ile ıslatılır. Đkinci aşamada, çapraz bağlanma tepkimeleri gerçekleştirilir ve reçine sert- ağ yapılı termoset polimere dönüşür. Böylece, termoset polimer matris içerisine takviye edici fiberlerin gömülü olduğu bir kompozit ürün elde edilir. Polimer kompozitlerde takviye malzemelerinin polimer matris tarafından ıslatılma düzeyi oldukça önemlidir. Bu düzey ne kadar yüksek olursa polimer kompozit yeterli mekanik özellikleri o düzeyde karşılar [4].
Termoset reçineler genelde viskoziteleri düşük sıvılar olduklarından fiberleri iyi ıslatırlar. Kimyasal dirençleri yüksektir, sürünmeleri ve gerilme gevşemeleri düşüktür. Bu sayılan özellikleri, termoplastiklere göre üstün yanlarıdır. Ancak, sıvı hallerinde oda sıcaklığında uzun süreli olarak depolanamamaları, kalıplama süresinin polimerizasyon tepkimeleri nedeniyle uzun olması, darbe dayanımlarının düşük olması termosetlerin istenmeyen özellikleridir [4].
Termoplastikler, çözeltilerinin ve eriyiklerinin yüksek viskozitesinden dolayı fiberleri ıslatma düzeyleri yeterli değildir. Ayrıca yüksek viskozite sürekli fiberlerin termoplastikler içerisine yerleştirilmesinde sorun yaratır. Bu iki özellik, termoplastiklerin matris malzemesi olarak kullanımlarını sınırlar. Termoplastik matrisler, sözü edilen olumsuzluklarının yanında, oda sıcaklığında sonsuz süre depolanabilme, işleme süresinin kısalığı, yeniden şekillendirilebilme ve onarım kolaylığı hususlarında termosetlerden üstündürler [4].
Polimer kompozitlerin üretiminde en yaygın olarak kullanılan termoset matris malzemeleri, epoksiler, fenolikler ve doymamış polyesterlerdir.
9
En yaygın olarak kullanılan termoplastik matris malzemeleri, poli (eter eter keton) (PEEK), poli (fenilen sulfid) (PPS) ve poli (eterimid) (PEI) olarak sıralanabilir [4].
Polyester: Polyester yapısındaki termoset matrisler, ana zincirinde karbon çift bağları bulunan doymamış polyesterlerden hazırlanırlar. Doymamış polyesterler ise maleik anhidrit gibi anhidritler ve etilen glikol ya da propilen glikoller gibi glikollerden sentezlenir. Doymamış polyesterler, takviye edici fiberler yanında ve stiren, metil metakrilat gibi bir monomer varlığında 100- 150 ºC arası sıcaklıklarda yapılacak pişirmeyle radikalik mekanizma üzerinden çapraz bağlı yapıya dönüştürülür [4].
Doymamış polyester reçineleri pahalı değildir ve kür zamanları hızlıdır. Ayrıca girdiler ve polimerizasyon koşulları ayarlanarak sert, kırılgan, esnek veya yumuşak özelliklerde polyester kompozitler hazırlanabilir [4].
1.1.3. Fiber malzemeleri
Fiberler uzun ve kısa fiberler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bir malzemenin uzun fiber olarak adlandırılabilmesi için boy/ çap oranının 200- 500 arasında olması gerekirken, kısa fiber olarak adlandırılabilmesi için bu oranın 20- 60 arasında olması gereklidir [7].
Fiber takviyeli kompozitler, özellikle uzay ve havacılık alanlarında kullanılmak üzere geliştirilmiş malzemelerdir. Dıştan yapılan yüklemeleri kompozitin fiber bileşeni karşılar [4].
Fiber takviyeli kompozit malzemelerde, fiberin birinci işlevi yükü taşıyarak dayanım ve rijitliği artırmaktır [1].
Uzay ve havacılık alanlarında ilk kullanılan kompozitler alüminyum alaşımlarından hazırlanmış ve uçakların bazı parçaları yüksek mekanik dayanımları ve hafifliklerinden dolayı alüminyum kompozitlerden yapılmıştır. Ancak Al alaşımları korozyona ve metal yorulmasına uğrayabilen maddelerdir. Fiber takviyeli polimerik kompozitlerde korozyonun söz konusu olmaması, ayrıca malzeme yorulmasının
10
metallerdeki kadar hızlı gelişmemesi uzay ve havacılık alanlarında tercih edilmelerine sebep olur [4].
Fiberler demet haline getirildiklerinde her zaman yapımlarında kullanılan polimerin yığın haline göre daha dayanıklıdırlar. Fiber demeti üzerine dışarıdan bir etki yapıldığında, demette bulunan fiberlerden bazıları kopabilir veya yüzeylerinde çatlama, çizilme vb. kusurlar oluşabilir. Demetin dış kuvvetler altında aldığı bu tür zararlar, yalnız etkilenen fiberlerle sınırlı kalır ve demet içerisindeki diğer fiberlere aktarılmaz. Ancak yığın halindeki bir maddenin herhangi bir bölgesinde oluşan bir kusur malzeme içerisinde ilerler ve sonuçta malzemeyi kullanılmaz hale getirebilir. Bu özellik fiber takviyeli kompozitlerin üstünlüklerinden birisidir [4].
Fiberlerin kompozit içerisine belli doğrultularda yerleştirilebilmesi, fiber takviyeli kompozitlerin bir başka üstünlüğüdür. Fiberler, kompozit içerisine uygun doğrultularda yerleştirilmesi ile, kompozitin yüklemelere farklı yönlerde farklı yanıtlar vermesi sağlanır (anizotropi). Benzer şekilde, darbe dayanımı, ısıl iletkenlik, ısıl genleşme gibi davranışlar da fiberlerin yönlenme eksenine bağlıdır. Fiberlerle yapılan takviye, fiber yönlenmesi ayarlanarak sözü edilen özelliklerin yöne bağlı kontrolüne olanak sağlar [4].
Kompozit malzemelerde fiber takviyesi sürekli ve kısa fiber takviyesi olarak ikiye ayrılır. Kısa fiberler, polimer matris içerisine genellikle rasgele dağıtılırlar ve böyle bir kompozit, mekanik özellik açısından izotropik davranır. Sürekli fiberler genellikle yükün yönüne paralel olacak şekilde reçine içerisine yatırılırlar [4].
Birkaç yönden yüklemeyle karşılaşacak kompozitler, fiberlerin farklı yönlerde yerleştirilmesi veya dokumalar kullanılarak hazırlanabilir. Dokumalar kompozite her zaman en az iki yönde dayanıklılık kazandıran takviyelerdir. Üç boyutlu dokumalarla kompozitin mekanik dayanımı her üç yönde artırılır [4].
11
Kompozitte kullanılacak fiberlerin miktarı ve boyutları, kompozitin üretileceği yöntemin türünü belirler. Kompozit içerisindeki fiberin miktarı arttıkça ve boyu uzadıkça, şekillendirme yönteminin seçiminde ve kompozit malzemenin özelliklerinde fiberin etkisi baskınlaşır [4].
Genel bir kural olarak, kompozitlerin mekanik dayanımı bünyelerindeki fiber miktarı arttıkça yükselir, fiber miktarı belli bir değere ulaştıktan sonra azalmaya başlar. Bunun nedeni fiber artışına bağlı olarak kompozit içerisindeki polimer miktarının azalmasıdır. Polimerin, kompozit içerisindeki oranı, belli bir değerin altına düştüğünde, matris işlevini kaybeder ve fiberleri bir arada tutamaz [4].
Fiber kalınlığı, kompozit özelliklerini etkileyen bir diğer önemli faktördür. Đnce fiberlerle hazırlanan kompozitlerde polimerin fiberi ıslattığı alan büyüktür. Fiber- polimer temas yüzeyinin artması, fiber- polimer etkileşimini artırarak kompozit içerisinde yük dağılımını kolaylaştırır. Bu nedenle, aynı kütlede ince ve kalın fiberlerle takviye edilen kompozitlerden, ince fiberlerle takviye edilen daha dayanıklıdır [4].
Özetle, fiber takviyeli polimerik kompozitler hazırlanırken, fiberler açısından aşağıdaki temel noktalara dikkat edilmesi gerekir [4]:
• Fiberin mekanik özellikleri, • Fiber hacim oranı,
• Fiberin yönlenme biçimi, • Fiber kalınlığı.
Kompozit malzemelerin takviye edilmesinde en yaygın olarak kullanılan fiber türleri; cam fiberler, karbon fiberler ve aramid fiberlerdir [4].
1.1.3.1. Cam fiberler
Cam fiberler, anorganik fiber grubunda yer alır ve anorganik fiber üretiminin yaklaşık % 90’ ını oluşturur. Camın temel girdileri, silika kumu (% 50’ den
12
fazla SiO2 içeren kum), kireç taşı (CaCO3), alüminyum hidroksit, borik asit, sodyum
sülfat ve susuz borakstır. Cam fiber üretiminin ilk aşamasında, sözü edilen maddeler birlikte 1500- 1700 ºC’ ye kadar ısıtılarak eritilir. Erimiş haldeki cam, daha sonra ince nozullara basılır ve buralardan alınan filamanlar soğutularak çapları 5- 24 µm arasında filamanlar elde edilir [4].
Kompozit malzemelerde yaygın olarak kullanılan en ucuz takviye türüdür. Uzay ve havacılıkta, askeri alanda, endüstride ve günlük eşyaların yapımında kullanılan kompozitlerin çoğu cam fiberlerle takviye edilmişlerdir. Karbon ve aramid fiberlerle takviye edilmiş kompozitlerin özellikleri cam ile takviye edilen kompozitlerden daha iyi olmakla birlikte bu kompozitlerin pahalı olması nedeniyle bu fiberlerden yüksek performanslı kompozitlerin üretilmesinde yararlanılır [4].
Cam üretim girdilerinin bileşimleri değiştirilerek farklı türlerde camlar elde edilmektedir (Tablo 1.1.) [8].
Tablo 1.1: Cam fiber türlerinin harf gösterimleri ve karakteristik özellikleri [8]. Harf, Gösterim Karakteristik Özellik
E- elektriksel Düşük elektriksel iletkenlik
S- dayanım Yüksek dayanım
C- kimyasal Yüksek kimyasal dayanıklılık
M- modül Yüksek modül
A- alkali Yüksek alkali cam
13
Cam fiberler kırılgandırlar ve yüzeyleri dış etkilere duyarlıdır. Kompozit üretiminden önce cam fiberler, yüzeylerinin aşınma dirençlerinin artması için bazı ön işlemlerden geçirilir [4].
Cam fiberin üstünlükleri, ucuzluğu, yüksek çekme ve darbe dayanımı, yüksek kimyasal dayanım olup, zayıf yönleri ise düşük elastiklik modülü, fiberlerin sürtünerek birbirini aşındırması, düşük yorulma dayanımı ve matrise tutunmanın az oluşudur. Cam yanmaz, mekanik özellikleri ise yüksek sıcaklıklarda çok fazla düşmez. Çok güçlü alkaliler ve hidroflorik asit dışında korozyon dayanımı mükemmeldir [1].
1.1.4. Polimer kompozitlerin kullanım alanları
Polimerik kompozitler; korozyona dirençli, uzun süreli kullanımlara yatkın, işlenmeleri kolay, hafif, karmaşık geometrilerde biçimlendirilebilen, birim kütle başına yük taşıma özellikleri yüksek malzemelerdir. Bu üstün özelliklerinden dolayı aşağıda örnek verilen alanlarda kullanılırlar [4]:
• Havacılık ve askeri amaçlı: Fiber takviyeli kompozitler, havacılık ve askeri uygulamalarda hafiflikleri ve birim kütleleri başına yük taşıma özellikleri nedeniyle tercih edilirler. Uçakların kanatları, gövdeleri ve bazı parçaları aramid ve karbon fiberlerle takviye edilmiş polimerlerden yapılır.
• Uzay uygulamaları: Fiber takviyeli kompozitlerin uzay araçlarında kullanılmalarının en önemli nedeni hafiflikleridir. Uzay mekiklerinde aramid fiberlerle takviye edilen yüksek performanslı polimerlerden yapılmış basınç kapları kullanılır. Fiber takviyeli kompozitlerin uzay teknolojisinde kullanılmalarının bir diğer nedeni, geniş sıcaklık aralığında boyutsal kararlılıklarını koruyabilmeleridir.
• Otomobil sanayi: Otomobillerin dış yüzeylerinde kullanılan parçalarda (kapıların dış paneli, motor kaputu, tamponlar gibi) darbe dayanımı ve estetik özellikler önemlidir.
14
• Kompozitler bu özellikleri sağlayabilecek malzemelerdir. Otomobillerin bazı parçaları cam fiber takviyeli polyester veya vinilesterlerden yapılır.
• Spor malzemeleri: Kompozitlerin yaygın kullanıldığı ve potansiyel kulanım yerlerinin artacağı önemli bir alan spor malzemeleridir. Tenis raketleri, hokey sopaları, sörfler, balık oltaları, golf sopaları, kar ve su skileri, kompozitlerden yapılan spor malzemelerine örneklerdir. Kompozitlerin, ağırlığı azaltma, titreşimlere dayanma ve tasarım esnekliği gibi özellikleri, spor malzemeleri açısından kompozitleri çekici yapan noktalardır.
• Deniz araçları: Cam fiberlerle takviye edilmiş polyester kompozitler, deniz araçlarında en yaygın olarak kullanılan kompozittir ve özellikle tekne gövdeleri bu kompozitten yapılır.
1.2. Talaş Kaldırma Yöntemlerinin Sistematiği
Talaş kaldırma, belirli boyut, şekil ve yüzey kalitesine sahip bir parça meydana getirmek için ucu (ağzı) keskin bir takımla ve güç kullanarak, iş parçası üzerinden malzeme kaldırma işlemidir. Bu şekilde kaldırılan malzemeye talaş denir. Talaş kaldırma işlemlerinin sistematiği, takım ile parça arasındaki izafi hareketlere, takım ucunun geometrisine ve takımların kesici uç sayılarına göre yapılabilir [9].
Takım ile parça arasında;
• Kesme (ana), • Đlerleme (avans),
• Yardımcı (ayar) olmak üzere üç türlü hareket vardır [9].
Kesme hareketi, esas talaş kaldırma hareketidir. Đlerleme hareketi, parçanın uzunluğu veya genişliği boyunca belirli bir kısmının işlenmesini sağlayan harekettir. Yardımcı hareketler ise, takımın parçaya yaklaşma hareketi, ilerleme hareketi bittikten sonra takımın başlangıç noktasına geri gelmesi gibi çeşitli ayar hareketlerini kapsar. Genellikle kesme hareketi dönme veya doğrusal, ilerleme ve yardımcı hareketler
15
ise doğrusal hareketlerdir. Bu hareketlerin parça veya takım tarafından yapılması, tornalama, frezeleme, delme, planyalama-vargelleme ve taşlama gibi ana talaş kaldırma yöntemlerini meydana getirir. Ayrıca, bu yöntemlerden türeyen yöntemler de vardır [9].
Tornalama, frezeleme, delik delme ve planyalama-vargelleme esasen parçaya şekil veren talaş kaldırma yöntemleridir. Taşlama ise genelde, yukarıda sözü edilen talaş kaldırma işlemleri uygulanmış parçalarda boyut, şekil ve yüzey kalitesini iyileştiren bir talaş kaldırma işlemi olduğundan, taşlama işlemine nihai talaş kaldırma işlemi de denir [9].
Kesici ucun geometrisi bakımından talaş kaldırma işlemleri, kesici ucun geometrisi belli olan ve kesici ucun geometrisi belli olmayan yöntemler olmak üzere iki gruba ayrılır. Birinci gruba, tornalama, frezeleme, delme, planyalama-vargelleme ve broşlama; ikinci gruba ise, taşlama, honlama ve lepleme gibi işlemler girer [9].
Takımların kesici uç sayılarına göre talaş kaldırma işlemleri tek, iki ve çok uçlu takımlarla yapılan işlemler olmak üzere üçe ayrılır. Tornalama ve planyalama-vargelleme işlemlerinde tek uçlu takımlardan, delik delme işleminde iki uçlu takımlardan, frezeleme, raybalama ve broşlamada çok uçlu takımlardan yararlanılır [9].
1.2.1. Talaş kaldırma mekaniği ve talaş tipi
Talaş kaldırma işlemi, elastik ve plastik şekil değiştirmeye dayanan, sürtünme, ısı oluşumu, talaşın kırılması ve büzülmesi, işlenen parçanın yüzeyinin sertleşmesi, takım ucunun aşınması gibi olayları meydana getiren karmaşık fiziksel bir işlemdir. Bir parçanın üzerinden belirli bir malzeme tabakası kaldırılması için, takımın o malzemeye nüfuz etmesi gerekir. Bu da ancak takıma uygulanan kuvvetlerin yeterli ve takım malzemesinin parça malzemesinden daha sert olması halinde gerçekleşir [9].
16
Talaş kaldırma olayını incelemek için kama şeklinde bir kesme ağzından meydana gelen bir takım modeli oluşturulur (Şekil 1.5.). Bu takımla talaş kaldırma işlemine ortogonal kesme denir. Ortogonal kesmede, takımın kesme kenarı, takım ile parça arasındaki kesme hızına dik veya eğik olabilir. Burada söz edilen ikinci duruma ise eğik (meyilli) kesme denir. Böyle bir takımın bir parça üzerine belirli bir kuvvetle bastırıldığı ve kuvvet yönüne doğru hareket ettirildiği düşünülürse, takım ucunun temas ettiği metal tabakasında önce elastik, sonra plastik şekil değiştirmeler meydana gelerek, metal tabakasında akmalar başlar ve gerilmeler malzemenin kopma sınırını aştığı anda, talaş parçadan ayrılır. Talaşın parçadan ayrılma şekli, parça malzemesinin özelliklerine ve işleme koşullarına bağlı olarak gerçekleşir. Buna göre çeşitli talaş şekilleri meydana gelir [9].
Şekil 1.5: Takım modeli ve ortogonal kesme [9].
Kopma, sünek ve gevrek kopma olmak üzere iki çeşittir. Sünek kopmada, malzeme kopmadan önce, büyük plastik şekil değiştirmeler göstermektedir. Gevrek kopmada ise, malzemenin kopmasından önce plastik şekil değiştirme ihmal edilebilirdir [9].
Sünek malzemelerde takımın kesme ağzının önünde, bir plastik şekil değiştirme bölgesi meydana gelmekte ve bu bölgede malzeme talaş şeklinde sürekli olarak iş parçasından ayrılmaktadır. Konunun teorik olarak basitleştirilmesi için, talaşın ayrılmasının bir bölge içinde değil, kesme düzlemi denilen bir düzlemde meydana geldiği varsayılır (Şekil 1.6. a,b) [9].
17
Gevrek malzemelerde, takımın kesme ağzının önünde, aşırı plastik şekil değiştirme bölgesi oluşmakta ve malzeme talaş şeklinde hem iş parçasından ayrılmakta, hem de talaş akışından kopmakta, yani kesintili bir talaş oluşmaktadır [9].
Şekil 1.6: Talaş kaldırma olayı a) Kesme bölgesi, b) Kesme düzlemi [9].
Bu esas oluşum mekanizmalarına göre pratikte sürekli, yapışık ve kesintili olmak üzere üç talaş tipi vardır. Bant veya sarılmış şekilde olabilen sürekli talaş tipi, yüksek kesme hızı ve düşük ilerleme ile işlenen sünek malzemelerde, yapışık talaş tipi, orta kesme hızı ve yüksek ilerleme ile işlenen sünek malzemelerde ve kesintili talaş tipi, gevrek malzemelerde meydana gelir (Şekil 1.7.) [9].
18 1.2.2. Talaş kaldırma olayını etkileyen faktörler
1.2.2.1. Takım geometrisi
Talaş kaldırma olayının en önemli elemanı takımdır. Görünürde birbirlerinden çok farklı olmalarına rağmen, tüm takımlar kesici ve tutturma olmak üzere iki kısımdan meydana gelirler. Takımların kesici kısmı, Şekil 1.5.’ te gösterildiği gibi ortogonal bir tarzda temsil edilebilir. Bu haliyle, kama şeklinde olan takımın kesici kısmı (1), talaşın temas ettiği talaş yüzeyi (2) ve parçanın işlenmiş yüzeyine dönük serbest yüzey (3) ile sınırlıdır. Bu iki yüzeyin kesişmesi takım ucunu (4) meydana getirir [9].
Parçanın işlenmiş yüzeyi ve ona dik bir doğru, koordinat sistemi olarak seçilirse, bu koordinat düzlemine göre takımın kesme özelliğini tayin eden aşağıdaki açılar meydana gelir [9]:
• Dikey doğru ile talaş yüzeyi arasında talaş açısı (γ), • Kesici kısmının kama açısı (β),
• Serbest yüzey ile parçanın işlenmiş yüzeyi arasında serbest açı (α).
Şekil 1.5.‘ ten görüldüğü gibi, bu açılar arasında:
90
α + β + γ = ° (1.1)
bağıntısı vardır. Eğik kesmede, takım ağzının kesme hızı doğrultusu ile yaptığı ve eğim açısı (λ) olarak adlandırılan bir açı daha vardır (Şekil 1.5.). Dik ortogonal kesmede λ = 0’ dır [9].
Takımın ucu hafifçe yuvarlatılır. Yuvarlatma yarıçapının (r) değeri, takım geometrisini tamamlayan bir faktördür [9].
1.2.2.2. Talaş geometrisi
Đş parçası üzerinden kaldırılan malzeme tabakasının talaşa dönüşmesi, kesme bölgesi denilen bir bölgede meydana gelmektedir. Ancak basitleştirmek
19
amacıyla bu bölge yerine bir kesme düzlemi dikkate alınmaktadır. Buna göre, kesme bölgesine dayanan talaş kaldırma teorisine kalın bölge teorisi, kesme düzlemine dayanan ince bölgesi teorisi denilmektedir. Burada talaş kaldırma mekaniği M. E. Merchant’ ın ince bölge teorisine dayanarak incelenecektir [9].
Đnce bölge teorisine göre takım parça üzerinden kesme yönü denilen belirli bir doğruda talaş kaldırır (Şekil 1.8.). Talaşın parça üzerinden ayrıldığı yüzeye kesme yüzeyi denir. Kesme yüzeyi, kesme yönü ile kesme açısını (Φ) meydana getirir. Kesme yüzeyi boyunca parçadan ayrılacak talaşın boyutları, genişliği (b) ve kalınlığı (h) ile ifade edilir [9].
Şekil 1.8: Talaş geometrisi [9].
Metal tabakasının talaşa dönüşmesi sırasında meydana gelen plastik şekil değiştirmelerden dolayı talaşın (b) genişliği aynı kalmakla beraber, talaşın kalınlığında bir genleşme (h boyutu h′ olur) ve talaşın uzunluğunda bir büzülme (l boyutu l′ olur) meydana gelir. Kaldırılacak tabakanın hacmi ile kaldırılan talaş hacmi eşit olduğuna göre,
s
h l ' h ' l
λ = = (1.2)
20
genleşmesi aynı oranda meydana gelir ve talaş kalınlıkları oranı (λ ) adını taşıyan s
tek bir faktör ile ifade edilir. (λ )’ in yerine bunun tersi olan s sb s
1 λ =
λ ’ te kullanılabilir. λ oranına büzülme faktörü (s λ < ), s 1 λ oranına ise genleşme faktörü sb
(λ >1) de denilir [9]. sb
Şekil 1.9: Talaş kaldırma modeli [9].
Şekil 1.9. dikkate alınırsa aradaki üçgenlerden;
h=ABsinφ ; h '=ABcos(φ − γ (1.3) ) yazılabilir ve s h sin h ' cos( ) φ λ = = φ − γ (1.4)
21
bulunur. Bu bağıntıda cos(φ − γ = cos cos) φ γ +sin sinφ γ yazılırsa ve kesme açısı φ ’ ye göre çözülürse, s s cos tan 1 sin λ γ φ = − λ γ (1.5) veya sb s 1 λ = λ ’ ye göre; sb cos tan sin γ φ = λ − γ (1.6)
elde edilir. Kesme açısı, talaş kaldırma koşulları hakkında bilgi veren bir faktördür. Pratik ve teorik hesaplarda talaş boyutları h (kalınlık) ve b (genişlik) ile ifade edilir. Bu boyutlar, henüz talaşa dönüşmemiş iş parçası üzerinden kaldırılacak olan tabakaya aittir. Şekil 1.9.’ da gösterilen bu boyutlar ortogonal kesmeye aittir. Bu boyutlara bağlı olarak talaş kesiti:
s
A =bh (1.7)
bağıntısı ile tayin edilir [9].
Đlerleme veya avans (s) esas ilerleme hızı (u)’ ya bağlıdır. Đlerleme hızı, takımın bir yüzeyi işlemesi için o yüzey boyunca yaptığı hareketin hızıdır ve genellikle (mm/dak) olarak ifade edilir. Đlerleme, takımın parçanın bir devrine karşı kat ettiği mesafe (mm/dev) veya çok ağızlı (dişli) takımlarda bir ağıza veya dişe karşı kat ettiği mesafe (mm/diş) olarak ifade edilebilir. Đlerleme ile ilerleme hızı arasında, n parçanın dönme hızı olmak üzere,
u ns= (1.8)
22
Burada dikkat edilmesi gereken husus, ilerleme ile paso arasındaki farklılıktır. Bir yüzeyin işlenmesi için kaldırılması gereken tabaka; tabakanın kalınlığı, işlenecek yüzeyin kalitesi, tezgahın gücü gibi faktörlere bağlı olarak bir veya birkaç geçişte alınabilir. Takımın, bir geçişte parça üzerinden kaldırdığı malzeme tabakasına paso denir. Birkaç pasoda işlenen yüzeylerde, ilk paso veya pasolarda yüzey kalitesi önemli olmadığından, kesme zamanından tasarruf yapmak için paso kalınlıkları büyük seçilir. Bunlara kaba paso denir. Đyi bir yüzey kalitesi oluşması istenilen son pasoda, paso kalınlığı ince seçilir. Buna da ince paso denir [9].
1.2.2.3. Kesme hızı
Talaş kaldırma sırasında takım, kesme yönü doğrultusunda kesme hızı ( v ) denilen bir hızla ilerler ve talaş parçadan ayrılma hızı (v ) ile uzaklaA şır (Şekil 1.10.). Bu iki
hız, kesme yüzeyi boyunca makaslama veya talaş kaldırma hızı (v ) oluM ştururlar.
Talaşın büzülmesinden dolayı ayrılma hızı v , v kesme hızından daha küçük A
olacaktır.
Şekil 1.10: Talaş kaldırma hızları [9].
Şekil 1.10.’ daki v M v üçgeni ve sinüs kanunu uygulanırsa, B
A v sin v cos( ) φ = φ − γ veya A s sb v v = λ =v λ (1.9)
23 bağıntısı yazılabilir [9].
s 0,3 0,5
λ = … arasında değişmektedir. Örneğin
s 0,5
λ = için vA =0,5v’ dir. Yani talaş kesme hızının yarısı kadar bir hızla takım üzerinden akmaktadır.
Boyut bakımından m/dak olarak ifade edilen ve talaş kaldırma işleminde önemli bir rol oynayan kesme hızı, kesme zamanını ve dolayısıyla işlemin maliyetini belirler [9].
1.2.2.4. Kesme kuvveti ve kesme gücü
a) Kesme kuvveti: Talaş kaldırma olayını gerçekleştirmek için takıma, kesme düzleminde meydana gelen dirençlere karşı, talaş kaldırma kuvveti (F ) uygulanır z
(Şekil 1.11). Kesme düzlemindeki kuvvetler, kesme kuvveti, takım ile talaş ve takım ile parça arasındaki sürtünme kuvvetlerinden oluşmaktadır. Düzlem boyunca yayılmış durumda olan bu kuvvetler, kesme düzleminin ortasında veya Merchant’ ın varsayımına göre takımın ucuna uygulanan tek bir kuvvet ile gösterilebilir. Bu son durumda, takım ucuna uygulanan kuvvet, talaş kaldırma kuvveti F olursa, bu z kuvvetin aşağıda gösterilen bileşenlerden meydana geldiği düşünülebilir [9]:
• Kesme yönünde kesme kuvveti (F ) ve bu yöne dik yönde radyal kuvvet (s F ), r
• Kesme düzleminde makaslama kuvveti (F ) ve bu yöne dik yönde basma k
kuvveti (F ), b
• Sürtünme kuvveti (F ) ve bunu meydana getiren normal kuvvet (f F ), n • F ile n F arasındaki açı z ρ sürtünme açısıdır.
Sürtünme katsayısı µ ile ifade edilirse,
f n F tan ; arctan F µ = = ρ ρ = µ (1.10)
24
Şekil 1.11: Talaş kaldırma kuvvetleri [9].
Yukarıda açıklanan kuvvetlerden pratik bakımdan en önemlisi, kesme kuvveti (F ) s
ve radyal kuvvet (F )’ dir. r Şekil 1.11.’ de görüldüğü gibi kesme düzleminde, kesme direnç kuvvetinin yanı sıra takımı parçadan ayırmaya çalışan bir radyal direnç meydana gelmektedir. Dolayısıyla takımı parça üzerinde tutmak için takıma radyal bir kuvvetin uygulanması gerekir. Bu da takımın takım tutturma tertibatına bağlanması ile gerçekleştirilir [9].
Kesme kuvveti ve kesme kesiti, τk malzemenin kesme mukavemeti olmak üzere,
k k k k hb F A ; A sin = τ = φ (1.11)
şeklinde ifade edilirse, kesme ve radyal kuvvetler,
s k cos( ) F hb sin cos( ) ρ − γ = τ φ φ + ρ − γ (1.12) r k sin( ) F hb sin cos( ) ρ − γ = τ φ φ + ρ − γ (1.13) olarak bulunur [9].
25
kaldırılması için (minimum enerji ilkesine göre) φ kesme açısının optimum (φ ) 0
değeri bulunur. Buna göre,
s 0 dF 1 0 'dan ( ) d 4 2 π = φ = − ρ − γ φ (1.14) bulunur [9].
Denklem (1.14) ile F ile s F kuvvetleri, r
s k r k 2 0 0 2 1 F hb ; F hb 1 tan tan = τ = τ − φ φ (1.15) şeklinde yazılır [9].
Yukarıdaki denklemlerden görüldüğü gibi, talaş kaldırma için harcanan güç için önemli olan F kesme kuvveti: s
• Malzemenin kayma mukavemetine (τ ), k
• Talaşın boyutlarına (b ve h), • Talaş açısı ( γ ),
• Kesme açısı ( φ ), • Sürtünme açısı ( ρ )
parametrelerine bağlıdır. Kesme açısı, optimum değerinde olduğunda (Denklem (1.14)), belirli bir malzeme ve talaş boyutları için en düşük kesme kuvveti ve dolayısıyla en düşük talaş kaldırma gücü elde edilir [9].
b) Kesme gücü: Kesme kuvveti F ve kesme hızı v, tezgah motorunun verdiği s
enerji ile sağlanır. Bu enerji, tezgahın kinematik sisteminden ana mile ulaşır. Bu faktörlere bağlı olarak talaş kaldırmak için gereken kesme gücü,
26
s s
P =F v (1.16)
ve kinematik sistemin verimi η ile gösterilirse, tezgah motorunun gücü,
s m
P P =
η (1.17)
bağıntıları ile ifade edilir [9].
1.2.2.5. Diğer faktörler
Talaş kaldırma sırasında gerek takım ile talaş, gerekse takım ile işlenen yüzey arasında meydana gelen sürtünmeler, ısı oluşumuna ve takım aşınmasına neden olurlar. Bu iki olay, talaş kaldırmada önemli bir faktör olan takım ömrünü tayin eder. Bunun yanı sıra talaş kaldırma olayını önemli şekilde etkileyen takım malzemesi, işlenen parçanın malzemesi ve talaş kaldırma olayını kolaylaştırmak amacıyla kullanılan kesme sıvıları gibi faktörler de sıralanabilir. Ayrıca takım ve takım tutturma sistemleri ile parça ve parça tutturma sistemlerinin esnek birer sistem oldukları düşünülürse, talaş kaldırmada titreşim olayının da oluşması söz konusudur [9].
1.2.3. Talaş kaldırma faktörlerinin etkileri ve analizi
1.2.3.1. Takım geometrisi
Takım geometrisini tayin eden faktörler , ,α β γ gibi ana açılar ve takım ucunun r yuvarlatma yarıçapıdır. Ana açıların yanı sıra, takımların başlıca açıları da vardır. Burada sadece ana açıların etkileri ele alınacaktır [9].
Genellikle talaş açısı γ talaşın parçadan uzaklaşmasını, kama açısı β takımın parçaya nüfuz etmesini ve serbest açı α ’ da takımın işlenen yüzeye sürtünmemesini sağlar.
27
Şekil 1.12.’ de çeşitli α değerleri için takımın durumu gösterilmiştir [9].
Şekil 1.12: Takım açılarının etkisi [9].
•
γ
açısı küçük, β açısı büyük ise; takımın ucu küt olduğundan malzemeyenüfuz etmesi zorlaşır, kesme kuvvetleri büyür, ısı oluşumu artar ve takımın ucu kısa zamanda bozulur. Buna karşın takım, kuvvetlere karşı daha dayanıklıdır [9].
• γ açısı büyük, β açısı küçük ise; takım ucu ince olduğundan malzemeye daha kolay bir şekilde nüfuz eder, daha düşük kesme kuvvetleri ile talaş kaldırılır, talaş kolaylıkla akar ve takım daha büyük kesme hızlarında kullanılabilir. Ancak uç ince olduğundan, takımın kuvvetlere karşı mukavemeti azalır ve kırılma olasılığı artar [9].
1.2.3.2. Kesme kuvveti ve özgül kesme kuvveti
Kesme kuvveti Denklem (1.12) ile ifade edilir. Ancak bu bağıntıyı oluşturan faktörlerden, özellikle sürtünme açısının tayini çok zor olduğundan, pratikte bu bağıntı değişik bir şekilde uygulanır [9].
Buna göre; s k cos( ) k sin cos( ) ρ − γ = τ φ φ + ρ − γ (1.18)
28 olarak ifade edilirse, kesme kuvveti,
s s s s
F =hbk =A k (1.19)
şeklinde yazılır. Burada k , özgül kesme kuvveti adını taşır [9]. s
Denklem (1.18)’ den görüldüğü gibi özgül kesme kuvveti;
• Parça malzemesinin kesme mukavemeti (τ ), k
• Kesme açısı ( φ ), • Takım geometrisi ( γ )
gibi faktörlere bağlıdır. Diğer taraftan Denklem (1.5)’ e göre kesme açısı, büzülme faktörü λ =s h / h′ aracılığı ile, h talaş kalınlığına bağlıdır [9].
Özetle özgül kesme kuvveti; parça malzemesi (τ ), talaş kalınlığı (h), talaş açısı ( γ ), k
takım malzemesi, talaş kaldırma yöntemi ve eğim açısı ( λ ) gibi faktörlere bağlıdır [9].
Buna göre özgül kesme kuvveti;
s sh T
k =k k k kγ λ (1.20)
veya aşınmanın etkisi de dikkate alınırsa;
s sh T a
k =k k k k kγ λ (1.21)
olarak ifade edilebilir [9].
Kienzle tarafından ortaya atılan bu bağıntıda [9]:
29
• kγ: Talaş açısı faktörü, • kλ: Eğim açısı faktörü,
• k : Takım malzemesi ve talaş kaldırma yöntemi faktörü, T • k : Aşınma faktörüdür. a
Pratikte k özgül kesme kuvvetinin değeri, yukarıdaki faktörlere bağlı olarak deney s
yolu ile tayin edilir [9].
Özgül kesme kuvvetini en çok etkileyen faktör, talaş kalınlığıdır. Bu konuda yapılan deneylere göre, belirli bir parça malzemesi ve takım malzemesi için talaş kalınlığına bağlı olan özgül kesme kuvveti k ile talaş kalınlığı h arasında (Şekil 1.13.)’ te sh
gösterilen bağıntı vardır.
Şekil 1.13: Özgül kesme kuvveti ile talaş kalınlığı arasındaki ilişki [9].
Buna göre h büyüdükçe k azalır. sh k ile h arasında bağıntı, logaritmik koordinat sh sisteminde temsil edilirse bir doğru elde edilir. Bu doğrunun 1 ve 2 noktalarından geçen denklemi (y1−y ) m(x2 = 1−x )2 ’ ye göre;
sh1 sh 2 1 2
log k −log k =tan (log hα −log h ) (1.22)
30
olan talaş kesitine karşı gelen özgül kesme kuvveti k ile ifade edilirse ve s11 k sh1
yerine k , sh ksh 2 yerine k , hs11 1 yerine 1 ( log1 0= ), h2 yerine h konuşursa yukarıdaki
bağıntı;
sh sh11
log k −log k = −z log h; sh z s11 k 1 k = h (1.23) veya z sh z s11 s11 1 k k h k h − = = (1.24)
şeklinde yazılır [9]. Burada k birim özgül kesme kuvveti adını taşır. Denklem 11
(1.20) ve (1.21) dikkate alınırsa özgül kesme kuvveti,
z s s11 T a k k h k k k k− γ λ = (1.25) veya z sh s11 k k h− = (1.26) değeri ile s sh T a k =k k k k kγ λ (1.27)
olarak ifade edilir [9].
Burada;
• k s11 : Birim özgül kesme kuvveti,
• k sh : Temel özgül kesme kuvveti, • h : Talaş kalınlığı,
31
• z : Malzeme sabiti,
• kγ : Talaş açısının etkisini ifade eden bir faktördür,
• kλ : Eğim açısının etkisini ifade eden bir faktördür,
• k T : Takım, malzeme ve talaş kaldırma yöntemine bağlı olan bir
faktördür.
• k a : Aşınma faktörüdür.
Yukarıdaki açıklamalar ışığında özgül kesme kuvveti ve dolayısıyla kesme kuvveti hakkında aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir [9]:
• Malzemenin mukavemet sınırı büyüdükçe, kesme kuvveti büyür. • Talaş kalınlığı büyüdükçe, kesme kuvveti azalır.
• Talaş açısı büyüdükçe, kesme kuvveti azalır. • Kesme hızı büyüdükçe, kesme kuvveti artar.
Bu sonuçlar, yüzey kalitesi, aşınma, ısı oluşumu, mukavemet gibi başka olaylarla beraber değerlendirilmelidir [9].
1.2.3.3. Isı oluşumu
Talaş kaldırma sırasında meydana gelen ısı tabakanın şekil değiştirme ve ayrılması için gereken enerjiden, takım ile talaş ve takım ile işlenmiş yüzey arasındaki sürtünmeden kaynaklanır (Şekil 1.14.). Oluşan ısının bir kısmı, talaş ile birlikte tahliye edilir, diğer bir kısmı parçaya, geri kalanı da takıma geçer ve takımın ısınmasına neden olur. Isının büyük kısmının talaş ile birlikte dışarı atıldığı ortaya koyulmuştur [9].
32
Şekil 1.14: Talaş kaldırmada ısı dağılımı ve ısı bilançosu [9].
Kesme hızının büyümesi ile talaş ile tahliye edilen ısı hızlı bir şekilde büyümekte ve aynı şekilde parçaya geçen ısı azalmaktadır. Takıma geçen ısı, kesme hızı tarafından etkilenmemektedir [9].
Kesme hızı, parça malzemesi, kesme sıvısı, paso kalınlığı, ilerleme hızı, takım geometrisi, sıcaklığın oluşmasını etkileyen faktörlerdir. Bunlardan en önemlisi kesme hızıdır. Kesme hızının büyümesi, sıcaklığın önemli ölçüde artmasına neden olur. Kesme sıvılarının kullanılması, sıcaklığın azalmasına ve daha büyük kesme hızlarının kullanılmasına izin verir [9].
33 1.2.3.4. Aşınma ve takım ömrü
Talaş kaldırma sırasında meydana gelen sürtünmeler ve sıcaklık, takım aşınmasına neden olur. Bu olayda sürtünme esas neden, sıcaklık ise takımın aşınmaya karşı mukavemetini azalttığı için olayı hızlandıran bir etkendir. Sürtünme, talaş ile takımın talaş yüzeyi ve işlenen yüzey ile takımın serbest yüzeyi arasında meydana geldiğinden aşınma, sadece talaş yüzeyinde, sadece serbest yüzeyinde veya her iki yüzeyde de meydana gelir. Burada dikkat edilecek birinci husus, talaş kaldırma esnasında oluşan kesme sürtünmesinin, genel anlamda makine elemanlarının yüzeyleri arasındaki sürtünmelerden farklı olmasıdır. Farklılık, kesme sürtünmesinin sürekli olarak taze yüzeylerde, yüksek sıcaklık, yüksek basınç koşulları ve nispeten küçük temas alanlarında oluşmasından ibarettir. Bu nedenle, takımların aşınması, çeşitli aşınma türlerini kapsayan karmaşık bir olaydır. Đkinci husus, talaş ve serbest yüzeydeki sürtünmeler farklı olduğundan, aşınmaların da farklı olmasıdır. Serbest yüzeyde aşınma, normal bir malzeme kaldırılması şeklinde, talaş yüzeyinde ise krater biçiminde meydana gelir [9].
Takımın aşınması, takım ve parça malzemesi, takım ve talaş geometrisi, kesme hızı, kesme sıvısı gibi birçok faktöre bağlıdır [9].
Takım genelde şu olaylar meydana geldiği durumda aşınmış sayılır [9]:
• Serbest yüzeyde aşınma bölgesinin belirli bir boyuta ulaşması,
• Talaş yüzeyinde krater veya başka aşınma türlerinin meydana gelmesi, • Kesme ağzından küçük parçacıkların kopması,
• Yüzey kalitesinin bozulması,
• Kesme kuvvetinin ve gücün aniden artması.
Bu olayların biri veya birkaçının meydana geldiği durumda takım bilenir veya değiştirilir [9].
Takım ömrü, takımın müsaade edilen aşınma değerine erişeceği kadar geçen talaş kaldırma zamanı olarak ifade edilir. Müsaade edilen aşınma miktarı
34
başlangıçta tayin edilir. Bu zamandan sonra takımın artık talaş kaldırma olayını istenen şekilde yerine getiremeyeceği ve dolayısıyla aşınmış olduğu varsayılarak bilenmesi ve değiştirilmesi gerekir. Buna bağlı olarak takım ömrü, iki bileme arasındaki çalışma zamanı olarak ta ifade edilebilir [9].
1.2.3.5. Ömür – kesme hızı bağıntısı
Taylor tarafından yapılan deneylere göre, takım ömrü (T) ile kesme hızı (v) arasında Taylor bağıntısı olarak bilinen,
n t t n C vT C veya v T = = (1.28)
ifadesi vardır. Burada v (m/dak) olarak kesme hızı, T (dak) olarak ömür, n parça ve takım malzemesine bağlı bir sabit ve C Taylor sabitidir. Burada n 1/ kt = ile
gösterilirse yukarıdaki bağıntı,
k k C Tv C veya T v = = (1.29)
olarak yazılır. Şekil 1.15.’te ömür-kesme hızı ilişkisi görülmektedir [9].
35
C, deney kesme koşullarına bağlı bir sabittir ve bir dakikalık takım ömrüne karşılık gelen kesme hızını ifade eder [9].
Geometrik olarak k faktörü T-v doğrusunun eğimini göstermektedir. Şekil 1.15.’ te gösterilen 1 ve 2 noktaları için ömür ve kesme hızları v1, T1 ve v2, T2 şeklinde
yazılırsa, k k k 1 2 1 1 2 2 2 1 T v T v T v C eşitliğinden T v = = = (1.30)
bağıntısı elde edilir ve k faktörü,
1 2 2 1 log(T / T ) k tan log(v / v ) ′ = − α = (1.31)
bağıntısından hesaplanabilir. k faktörü ne kadar büyük olursa, kesme hızının ömür üzerine etkisi daha büyük olur [9].
1.2.3.6. Genişletilmiş kesme hızı – ömür bağıntısı
Kesme hızı- ömür ikilisini etkileyen önemli bir faktör, talaşın h ve b boyutlarıdır. H ve b değerinin büyümesi ile takımın ömrü azalmaktadır. Ancak h’ nin etkisi b’ ye göre daha büyüktür. H ve b yerine s ve a alınırsa Denklem 1.29’ a dayanarak kesme hızı (v), ömür (T), ilerleme (s) ve talaş kalınlığı (a) arasında genişletilmiş Taylor bağıntısı olarak bilinen,
0 s n z y k m p C C v veya T T s a v s a = = (1.32)
ifadesi elde edilmiştir. Araştırmacılar k>m>ρ ilişkisini elde etmişlerdir. Buradan, ömür üzerine etkiyi kesme hızı (v), ondan sonra ilerleme (s) ve en az etkiyi talaş kalınlığının (a) yaptığı sonucu ortaya konulabilir [9].
36 Bu ana ilkeden şu sonuçlar elde edilebilir [9]:
• Kesme hızının büyümesi ile, ömrün sabit kalması için ilerleme veya paso
kalınlığı veya her ikisinin küçültülmesi gerekir. Bu, yüzey kalitesi bakımından da istenilen bir kuraldır.
• Sabit kesme hızı koşulunda, ömrün sabit kalması için ilerlemenin küçültülmesi
ve paso kalınlığının artırılması önerilmektedir. Bu şekilde sistemde birim zamanda kaldırılan talaş hacmi artmaktadır.
1.3. Takım Malzemeleri
Parça malzemesine nüfuz etme, talaş kaldırma sırasında oluşan kuvvetler, basınçlar, darbeler, ısı oluşumu, aşınma gibi olaylar ve ekonomik faktörler göz önüne alınırsa, takım malzemesinin sahip olması gereken özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir [9]:
• Yüksek sertlik,
• Yüksek eğilme mukavemeti, • Basma mukavemeti ve tokluk,
• Yüksek sıcaklık ve aşınmaya karşı dayanım, • Kolay işlenebilme,
• Maliyet.
Günümüzde tüm bu özelliklere sahip olan bir takım malzemesi yoktur. Genellikle yüksek sertliğe sahip, yüksek sıcaklığa ve aşınmaya dayanıklı takım malzemeleri eğilme, basınç ve darbelere karşı mukavemetleri düşük, zor işlenebilen ve pahalı malzemelerdir. Bu konuda önemli olan, verilen işe göre birbirine zıt olan teknik ve ekonomik koşulları bağdaştıracak şekilde en uygun takım malzemesini seçmektir [9]. Tablo 1.2.’ de mevcut takım malzemelerinin sertlik, aşınma direnci ve tokluk özelliklerinin sıralaması görülmektedir [10].
37
Tablo 1.2: Takım malzemelerinin özellikleri [10].
Şekil 1.16.’ da çeşitli takım malzemelerinin sertliklerinin sıcaklığa bağlı olarak değişimi görülmektedir [11].
Şekil 1.16: Takım malzemelerinin sertliklerinin sıcaklıkla değişimi [11].
1.3.1. Yüksek hız çelikleri (HSS)
Takım ağzı kızaracak ölçüde yüksek kesme hızlarında dahi talaş kaldırabilen, yani bu koşullara rağmen yüksek sıcaklık sertliğini büyük oranda ve uzun süre koruyan malzemelerdir.
